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Répertoire des expertises

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          Étienne
         Robert

Étienne Robert

Professeur adjoint
Département de génie mécanique

Recherche

Intérêts de recherche

Les étudiants intéressés à participer à un projet de recherche dans les domaines ci-bas ou à en proposer un sont invités à me contacter. Considérez toutefois que mon expertise principale de même que mes intérêts sont principalement sur les approches expérimentales en mécanique des fluides. Les intéressés peuvent me faire parvenir un CV, leurs relevés de note les plus récents, une lettre de motivation ainsi qu'une liste de 3 personnes à contacter comme référence. 

1 Mise en contexte

Le coeur de mes intérêts en recherche est dans le domaine de la mécanique des fluides, plus préci- sément en combustion et en écoulements multiphase. Dans mes recherches, je préconise une approche expérimentale réalisée dans des configurations simples où la compréhension fondamentale de la physique sous-jacente peut être acquise. De tels résultats expérimentaux sont ensuite bien adaptés pour êtres utilisés à des fins de validation de modèles théoriques ou numériques.

2 Combustion

L'essentiel de mes travaux en combustion sont basés sur une configuration expérimentale unique que j'ai conçue et construite dans le cadre de ma thèse de doctorat. Il s'agit du seul bruleur de recherche capable de créer des flammes de diffusion dépourvues d'étirement aérodynamique. Dans cette configuration, des solutions analytiques existent pour les équations gouvernantes, ce qui en fait un outil puissant pour l'étude de phénomènes complexes en milieu réactif. Comme l'écoulement est strictement unidimensionnel dans la zone de réaction, les effets aérodynamiques peuvent être découplés du phénomène sous investigation.

 

FIGURE 1 – a) Flamme de diffusion 1D idéalisée, avec vitesse d'écoulement U vers le haut et feuille de flamme à x f . L'oxydant diffuse à contre-courant au travers des produits de combustion. b) Représentation schématique du bruleur, avec seulement le côté gauche montré ; (1), Réservoir d'injection des réactifs ; (2), Réseaux d'aiguilles d'in- jection ; (3), Réseaux d'aiguilles d'extraction, insérées entre les aiguilles d'injection ; (4) Minces couches d'injection immédiatement au bout des aiguilles. c) Photo du bruleur partiellement assemblé, sans les réservoirs d'extraction et l'isolation thermique. 

Par conséquents, les résultats obtenus dans cette expérience peuvent être utilisés pour la validation de modèles théoriques ou numériques développés dans une configuration simple où des solutions analytiques sont disponibles pour les champs de vitesse, température et concentration. Jusqu'à maintenant, j'ai utilisé cette configuration pour étudier les phénomènes suivants :

2.1 Instabilités thermo-diffusives

Les instabilités thermo-diffusives (ITD) sont intrinsèques au phénomène de la combustion et sont causées par les différentes vitesse de diffusion de la chaleur et des espèces réactives dans la zone de réaction. On les observe quand la flamme est près de l'extinction et quand les diffusivités thermiques et moléculaires sont différentes. Le phénomène est caractérisé par le nombre de Lewis, qui est le ratio de ces deux diffusivités. Quand le nombre de Lewis est inférieur à 1, le front de flamme ce fragmente (flamme cellulaires) et quand il est supérieur à 1 des flammes pulsatives sont produites. Ces deux types d'instabilités peuvent être produites dans le bruleur mentionné ci-haut et de futurs travaux traiteront de ce phénomène en utilisant différents combustibles et régimes de combustion. 

 

FIGURE 2 – Photos de flammes cellulaires. a) Vue du bruleur en contre-plongée. Un cylindre de quartz (diamètre de 48 mm, délimité par les flèches blanches) est utilisé pour délimiter la zone de réaction. b)-h) Flammes cellulaires (H2-O2, dilués dans du CO2) avec une richesse de mélange décroissante. Toutes les images sont inversées par souci de clarté.

 FIGURE 3 – Flammes pulsatives (CH4-O2, dilués dans du CO2). Les lugnes pointillées verticales délimitent la taille maximale de la flamme durant le cycle de pulsation.

2.2 Formation de la suie

Les flammes non-prémélangées et non-étirées sont également idéales pour l'étude de la formation de la suie. Les résultats obtenus jusqu'à présent ont permis d'observer une grande variété de microstructures de carbone. Dans les flammes riches, des agrégats de suie de très grande dimension se forment, au point d'être visible à l'oeil nu. De tels agrégats se forment lors d'incendies de forêts ou de feux d'hydrocarbures liquides de grande taille. Le bruleur mentionné ci-haut est le premier permettant d'observer la formation de ces structures en laboratoire car l'alignement des forces de thermophorèse et de trainée dans la zone de réaction permet d'y maintenir les particules en croissance durant une période de temps très longue et controllable.

FIGURE 4 – Flammes générant de la suie avec des richesses de mélange progressivement plus élevées. La concen- tration d'oxygène donnée est mesurée par spectrométrie de masse à 3 mm des aiguilles d'injection.

FIGURE 5 – Microstructures de suie mesurées par microscopie électronique (TEM) a) Petites particules (diamètre d'environ 25 nm), capturées peu après la germination. b) Particules avec un très gros diamètre primaire, approchant les 100 nm. c) Microstructure d'un agrégat de très grande dimension de plus de 20 microns de longueur. d) Agrégat de nanotubes de carbone. 

2.3 Synthèse de nanotubes de carbone

Au cours des expériences sur la formation de la suie, les échantillons obtenus ont révélés, une fois ana- lysés par microscopie électronique (TEM), la formation d'une grande quantité de nanotubes de carbone (NTC). La synthèse par combustion de NTC n'est pas nouvelle en soi, mais dans le brûleur mentionné ci-haut elle s'effectue sans l'addition de catalyseur et la configuration de la zone de réaction permet d'im- poser aux particules en formation un très long temps de résidence dans la zone propice à leurs croissance et de contrôler ce temps avec précision. Des NTC ont été observés pour certains paramètres de contrôle alors que d'autres ont résultés en la formation d'autres microstructures de carbone crystallines. Ces observation motivent les recherches actuellement en cours pour identifier avec précision la microstructure des parti- cules de carbone formées dans les flammes de diffusion, en particulier en fonctions de paramètres pouvant seulement être étudiés dans notre brûleur (taux d'étirement aérodynamique extrêmement bas, temps de résidence très longs). 

3 Manipulation acoustique de particules

Suite aux observations d'aérosols polydispersés lors des travaux mentionnés ci-haut sur la formation de la suie, j'ai initié des travaux dans le domaine de la manipulation acoustique dans la perspective de développer une technique capable de séparer dans ces aérosols certaines particules ayant une valeur plus grande que les autres. Ce type de technique est maintenant utilisé abondemment en phase liquide pour la manipulation de cellules mais très peu de recherche ont été dédiées à en déterminer le potentiel en phase gazeuse.

3.1 Concentration et tri en milieu gazeux

Une démonstration de faisabilité à été réalisée dans un canal simple, adapté à l'étude des effets d'un grand nombre de paramètres sur l'efficacité de séparation d'une onde stationnaire perpendiculaire à l'écou- lement du fluide. Les paramètres étudiés jusqu'à présent sont de nature acoustique (amplitude, fréquence), géométrique (parallélisme des parois) et aérodynamique (vitesse, turbulence résiduelle). Un aspect parti- culièrement intéressant de ces travaux est l'étude du comportement de particule extrêmement petites, où les effets moléculaires sont appelés à jouer un rôle important. Ces résultats préliminaires ont démontrés que les forces acoustiques peuvent être utilisées pour manipules des particules au diamètre inférieur à 1 micron. Des travaux présentement en cours portent sur le développement de configuration adaptées à la réalisation de tâches plus poussées, comme par exemple le tri en fonction de la taille ou de la densité des particules.

 

FIGURE6 –Visualisation de la densité en nombre dans un aérosol (TiO2, diamètre nominal de 300 nm) par une technique optique basée sur la diffraction (images inversées, les régions sombres représentent une concentration élevée). a) En l'absence de champ acoustique, la concentration est quasi-uniforme. b) La présence d'une onde stationnaire concentre les particules aux noeuds de pression du champ acoustique. 

3.2 Échantillonnage d'aérosols

L'utilisation des effets acoustiques est maintenant considérée pour assister l'échantillonnage d'aérosols dans un grand nombre d'applications. Plusieurs problème de nature scientifique ou industrielle portent sur seulement un sous-ensemble des particules suspendues dans un gas. Une technique de séparation adaptée aux particules en question est alors nécessaire. Les applications actuellement à l'étude incluent la détection de pathogènes aéroportés, les sciences atmosphériques et le nettoyage des effluents gazeux en combustion ou gazéification de la biomasse.

4 Autres intérêts en recherche
4.1 Transmission de pathogènes aéroportés

Les travaux mentionnés précédemment sur la manipulation acoustique des aérosols sont maintenant mis à contribution pour aider à la détection en temps réel de pathogènes aéroportés. Ces travaux font partie du projet Norosensor (www.norosensor.eu, financé par le programme FP7 de l'Union Européenne), qui vise à fournir un outil d'avertissement rapide pour les épidémies de Norovirus. Dans ce projet, le tri acoustique sera utilisé pour diriger vers la cellule de détection seulement les particules d'aérosol les plus susceptibles de contenir le virus et ainsi minimiser l'usure du capteur.

4.2 Cavitation

Mes premières expériences de recherche en milieu académique furent acquises dans le domaine de la cavitation induite par laser, plus spécifiquement sur l'interaction entre une cavité de vapeur implosant à proximité d'une surface libre. Ces travaux ont étés réalisés au CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire, Genève, Suisse) dans le contexte de cible à métal liquide utilisées dans les accélérateurs à particule. 

 FIGURE 7 – Bulle de vapeur induite par laser, de grande taille et fortement décentrée, en expansion puis en contrac- tion dans un jet d'eau en chute libre. Dans l'image c), la vitesse des gouttelettes expulsées du jet est d'environ 112m/s

Sujets CRSNG

  • 2100 GÉNIE MÉCANIQUE
  • 1807 Combustion
  • 2200 MÉCANIQUE DES FLUIDES
  • 2202 Systèmes polyphasiques
  • 2105 Hydraulique

 

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